适用于高压大容量MMC-HVDC系统的改进低开关频率均压控制策略

模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)应用于柔性高压直流输电(voltage sourced converter based high voltage direct current,VSC-HVDC)系统时,具有功率模块数量多、桥臂电流大等特性,导致换流阀开关损耗高、开关器件散热困难。传统排序均压算法功率模块投切为随机过程,开关频率很高,难以满足实际工程需求。首先分析MMC功率模块的充放电规律,分析功率模块投切对电容电压均衡控制的影响机理;在此基础上,推导传统电压排序均压算法的开关频率上下限解析式。对现有的一种固定功率模块轮换数的低开关频率均压算法,分析开关频率和均压效果的优缺点。然后,通过推导功率模块轮换数与均压特性的关系式,提出一种改进的低开关频率均压策略。该策略在开关频率下限解析式的基础上,通过闭环控制每个控制周期功率模块轮换个数,实现MMC均压特性和开关频率的优化控制。最后,利用±350 k V 1000MW MMC-HVDC系统实时硬件在环(real-time hrdware in the loop,HIL)仿真测试系统,对两种低开关频率均压策略进行对比验证。     

MMC低开关频率子模块均压控制策略

针对模块化多电平变换器(modular multilevel converter,MMC)的子模块均压控制问题以及传统子模块排序均压策略的功率模块平均开关频率问题,通过相关公式推导,分析并指出子模块开关器件动作较频繁的原因。由此提出一种改进型的排序均压控制策略,通过固定每个控制周期功率模块的投切交换个数来降低功率模块开关频率,从而在保证子模块电压合理波动的前提下,明显减小子模块开关器件的动作次数,降低子模块的开关损耗。最后,通过仿真和实验对该控制策略的有效性进行验证,结果表明:在保证电容电压波动较小、系统稳定运行的同时,该策略可大大降低子模块开关频率,减小开关损耗。     

模块化多电平换流器排序频率优化设计

模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)因其独特的优势取得了广泛的应用,其中子模块电容电压均衡排序算法成为了热点话题。目前国内外大多数均压算法优化的目的都是为了降低时间计算复杂度和器件的开关频率。通过分析MMC子模块电容电压更新过程和波动原理,推导均压算法的最小排序频率计算方法,通过仿真研究均压算法排序频率对均压效果的影响,根据仿真结果对排序频率进行了优化设计。最后,将厦门柔性直流输电工程作为算例,在PSCAD/EMTDC中搭建模型进行仿真,验证优化设计方案的正确性。由仿真结果可知,论文提出的排序频率优化算法具有较好的均压效果,相比传统的时刻排序方法可以降低器件一半的开关频率,且能同时降低整体平均时间计算复杂度。     

模块化多电平换流器的分频均压控制策略

随着模块化多电平换流器(MMC)子模块个数的增多,传统基于排序的均压方法存在开关频率偏高和排序计算量偏大的问题。为此提出了分频均压控制策略,使电容电压排序频率远小于触发控制频率,并从理论上给出了此控制策略的排序频率选取方法。通过厦门柔性直流输电示范工程的电磁暂态仿真算例验证了所提出的分频均压控制策略在一定范围内减小排序频率时,可以在满足MMC的运行性能及安全性的前提下,明显减小开关频率和减轻排序计算负担。     

基于改进快速排序算法的MMC均压控制策略

模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)由于其自身具有输出电平数高、开关频率低、波形质量好等优势而被广泛研究和使用。子模块电容的电压均衡问题是MMC的重点研究方向之一。传统均压方法随着子模块数目增加,将极大增加开关元件频率损耗和控制器运算量。该文提出了一种基于改进快速排序算法的均压策略,通过实时监测子模块电容电压,设置子模块电压间的离散度指标,继而控制排序模块的开通和保持。同时,通过排序算法的优化,使控制器在多模块时计算效率大大增加,降低硬件要求。在PSCAD/EMTDC仿真平台搭建MMC-HVDC模型进行仿真验证。仿真结果表明,改进的均压控制方法能够在维持系统特性相对均衡的同时,有效提高运行速度,降低子模块开关频率。     

基于改进均压算法的模块化多电平变流器开关频率分析

以一种优化的最大电压偏差均压方法为基础,推导出模块化多电平变流器(MMC)平均开关频率的解析表达式,并分析了影响MMC开关频率的因素,对MMC损耗计算和散热设计具有一定的指导意义。在Matlab/Simulink平台上建立46电平的单相MMC模型,并进行仿真,最后搭建了9电平单相MMC实验样机,实验结果验证了所得结论的正确性。     

模块化多电平换流器的电容均压算法比较及优化设计

模块化多电平换流器(MMC)是柔性直流输电技术的核心器件,MMC的子模块电容均压问题,是输电系统稳定运行的关键问题之一。针对这一问题,首先分析比较了现有的几种以电容电压排序为基础的电容均压算法。结合几种算法的优缺点,提出了一种优化的增量式电容均压算法,只引入一个电压上下限的参数,也能够实现电压波动、开关频率的可调节。最后,在PSCAD/EMTDC中建立了MMC的仿真模型,实现了四种均压算法并进行比较,验证了理论分析。仿真结果表明,所提出的电容均压算法能极大降低开关频率,在相同的电压波动情况下,开关频率更低,是一种性能更优良的均压算法。     

模块化多电平换流器子模块平均开关频率的精确控制方法

在现有的基于电容电压排序的优化均压算法基础上,提出一种适用于模块化多电平换流器(MMC)的精确控制子模块开关频率的方法。通过引入双保持因子,避免绝缘栅双极型晶体管(IGBT)不必要的反复投切现象,从而在保证各子模块电容电压基本一致的前提下,有效地降低MMC子模块开关频率,减小开关损耗;在此基础上,设计了精确控制子模块开关频率的比例—积分(PI)控制器,能够在降低开关频率的同时精确地控制其大小,保证系统稳定运行和换流器的运行效率;最后,为证明所提出频率控制方法的有效性,在PSCAD/EMTDC中搭建了双端101电平MMC仿真模型,对所提出的方法进行了验证,仿真结果表明该方法可以在保证系统稳定运行的前提下,精确地控制子模块的开关频率,证明了所提出方法的正确性和有效性。     

模块化多电平变换器全桥型子模块优化均压控制方法

模块化多电平变换器(MMC)子模块(SM)的数量与直流侧电压成正比,当SM增加时,会导致MMC的开关损耗急剧增加,因此降低功率器件的开关频率一直是MMC的重要研究方向之一。采用最近电平逼近调制(NLM)方式,提出一种基于全桥型SM的改进均压排序法,旨在降低MMC中功率器件IGBT的开关频率,该方法实现相对简单,无需额外的控制器,且易于扩展。最后,通过在MATLAB/Simulink平台搭建了19个全桥SM的仿真模型,验证了该方法的有效性。验证了所提全桥型SM优化均压策略,可以有效避免IGBT不必要的反复投切,降低IGBT的开关损耗,同时对外部输出特性不会产生负面影响。     

适用于MMC-HVDC的优化均压策略

模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的子模块均压效果和绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)开关频率是两个相互制衡的重要指标。提出了一种在保证子模块均压效果的基础上求取最优开关频率的均压策略。通过分析子模块电压均衡的基本原理,提出将同一桥臂上的子模块按照投入/切除状态分组排序,然后基于投入/切除组对应的子模块电压差、桥臂电流方向以及预设的均压效果阈值生成投入/切除组对应的最优交换值。最优交换值是在满足均压效果阈值条件下,投入组和切除组需要交换的最少模块数。基于最优交换值优化调整生成的触发脉冲可有效降低开关频率,能以最小的投切变位即最优开关频率来保证均压效果。最后通过仿真分析,构建基于RTDS实时仿真系统的MMC-HVDC硬件在环半实物仿真平台和背靠背柔性直流输电实验平台,验证了所提策略的有效性。     

基于最大电压偏差裕度的MMC子模块均压优化算法研究

根据模块化多电平换流器(MMC)的运行原理,针对传统子模块电容电压排序算法存在器件开关频率高、从而引起开关损耗较大的问题,本文提出一种基于最大电压偏差裕度的均压优化算法。该算法考虑了子模块上一时刻开关投切状态以及各子模块电压之间的差值,可以在保证各子模块电容电压基本一致的前提下,避免IGBT不必要的反复投切,有效降低MMC子模块开关频率,减小开关损耗,从而提高系统运行效率。本文通过在Matlab/Simulink平台上搭建21电平的MMC仿真模型进行了仿真,仿真结果验证了均压优化算法的正确性和有效性。     

基于子模块电容电压允许值的MMC均压控制策略

针对模块化多电平变换器（modular multilevel converter,MMC）传统子模块（sub-module,SM）均压策略存在的开关频率高、开关损耗量多、计算量大等问题,提出基于子模块电容电压允许值的均压控制策略。通过引入电容电压允许值变量,使得SM电压始终在规定的范围内运行,降低了功率器件损耗。与此同时,由于不需要每个控制周期对全部SM进行排序,进一步减少了控制策略的计算量。通过仿真结果验证了所提策略的有效性,可以显著减少单位时间内功率器件的开关次数。     

一种改进的模块化多电平换流器电压平衡方法

基于排序的子模块电容电压均压方法是目前应用于大容量模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)型高压直流输电系统的主流均压方式,存在排序运算量大、开关频率高等缺陷,带来较大的硬件投入,降低MMC运行可靠性。针对上述问题,引入时间复杂度更低的基数排序,结合MMC运行特点,去除冗余关键字,降低时间复杂度,在此基础上,根据控制器所需投入子模块数m,优化子模块全排序为寻求m个子模块,去除冗余运算,同时提出重排序判据,使MMC控制器选择性地排序,减少排序频度,增大原有触发脉冲维持时间,降低开关频率。最后,在MATLAB/SIMULINK搭建21电平MMC模型,仿真结果表明,改进基数MMC均压算法能在较好维持电容电压平衡的同时,大幅减少运算量,降低开关频率,验证了改进均压方法的可行性与有效性。     

基于MMC离散数学模型的MMC-HVDC系统直流电压控制

在模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)中,针对阀控层的直流电压控制,在载波移相调制方式的基础上,提出了改进型子模块电容电压均衡控制方法,以降低开关器件的开关频率。针对极控层的直流电压控制,推导了稳态时MMC电流离散数学模型,设计了电流内环离散控制器,实现了系统直流电压控制和功率解耦控制。为抑制由交流系统故障引起的直流电压波动,提出了含直流电压控制环节的外环有功功率控制器,以提高系统的持续运行能力。算例仿真结果验证了所提方法的有效性。     

集成化的模块化多电平换流器功率模块设计与研制

模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)由于模块化的设计使其能够方便的应用于各种高电压场合,并且能够在较低开关频率下输出正弦度很高的电压波形。本文以1000V/90k VA MMC型换流器的功率子模块研制为研究核心,围绕该换流器中子模块一次电路主要元件参数选择、控制系统设计开展相关研究工作,研制了由4个子模块构成的集成化功率模块;通过子模块控制系统功能验证、功率模块的功率脉冲和带载实验,证明本文所研制的功率模块达到设计预期,能够正常、可靠、稳定工作。     

MMC直流电压控制策略研究

为了对模块化多电平换流器(MMC)的直流侧电压进行控制并减小开关损耗,首先介绍了MMC的结构及子模块充放电原理,然后提出了MMC的直流电压控制是由系统级直流电压控制和子模块电压控制两部分构成;针对系统级直流电压控制,分析了直流电压控制原理,并提出相应的控制策略;针对子模块控制中存在的因开关器件盲目动作而产生的开关频率高的现象,提出了一种改进型子模块电压均衡控制策略,通过对传统电压排序方法的改进,避免了这一现象。最后以PSCAD/EMTDC为平台进行仿真研究,结果表明MMC直流侧电压可以稳定在额定值,并且器件开关频率明显降低。     

中压模块化多电平换流器降低开关频率的锯齿载波最近电平-脉宽调制方法

最近电平-脉宽调制(NL-PWM)适用于中压模块化多电平换流器(MMC),较最近电平调制(NLM)可大幅减少谐波电流。NL-PWM通过电压排序实现桥臂子模块均压,均压切换设置在阶梯波跳变点,可减少额外的开关切换,但也限制了均压频率,影响了均压效果。PWM开关频率较高,在其开关点进行均压切换可大幅提高均压频率。现有NL-PWM方法基于三角载波,其开关点随参考电压变化,不便于均压控制的实施。该文提出非倍频和倍频的基于锯齿载波的NL-PWM方法,锯齿载波具有固定的跳变点便于均压控制。分析了所提调制的谐波特性,研究表明,采用倍频锯齿载波NL-PWM方法可在降低开关频率的同时保证良好的均压效果与输出电能质量。此外,所提调制亦可避免功率开关的窄脉冲。仿真与实验研究验证了理论分析的正确性。     

一种模块化多电平换流器电压均衡改进策略

模块化多电平换流器MMC（modular multilevel converter）是柔性直流输电系统的核心设备,其子模块的电容电压均衡问题直接影响系统的正常运行。针对此问题,首先介绍了一种现有的基于固定轮换的均压方法,指出其优缺点;再进一步提出一种改进的均压策略,能够在达到几乎相同的均压效果的基础上,减少模块的轮换;最后,在RTDS实时硬件在环实验平台中搭建MMC系统,验证了所提均压策略的有效性。实验结果表明,所提均压策略能在不影响MMC安全稳定运行的前提下,大幅降低开关频率,提高MMC运行效率。     

一种适用于MMC的闭环均压控制策略

子模块电压不平衡度和绝缘栅双极型晶体管(IGBT)开关频率是模块化多电平换流器(MMC)均压算法的两个重要指标,因两者存在矛盾性一般需要根据系统实际运行情况权衡两者.这里提出了一种在闭环控制子模块均压效果的基础上自动优化开关频率的均压策略.通过分析MMC运行的基本原理,提出对同一桥臂上的子模块根据投入/切除状态进行分组,组内按照电压大小进行排序,然后将预设均压效果阈值与实际均压效果的差作为比例积分(PI)控制器的输入,PI控制器的输出为均压效果阈值,最后基于桥臂电流方向选择由子模块投入差值、分组排序结果和均压效果阈值构成的条件关系式,计算得到最小交换值.最小交换值是为保证预设均压效果需要进行投切交换的最少子模块数,以此刷新的触发脉冲可有效降低开关频率.最后通过构建半实物仿真平台验证了所提策略的有效性.     

基于变基准值比较的MMC电容电压优化均衡控制策略

模块化多电平换流器的子模块电容电压均衡是其稳定运行的关键,传统电容电压均衡策略计算量大,器件平均开关频率高。提出一种基于变基准值比较的电容电压优化均衡控制策略,由最近电平逼近调制计算出当前投入模块的数目,并根据投入模块个数调节基准值,以此基准值为分界点将子模块电容电压序列分为两组,采用随机置乱算法对组内元素排序,根据桥臂电流方向,确定组间排序先后次序,最终确定投入模块信息。同时,通过电容电压优化函数选取合适的电容电压允许偏差阈值及调节因子,实现对器件平均开关频率和电容电压一致性的优化控制;在MATLAB/Simulink中搭建基于MMC的三相逆变器仿真模型,验证所提策略在取得良好均压效果的前提下,降低计算量,同时降低器件平均开关频率。